羅天敏，龐 偉，劉旭東，于曉輝，王 恒

(1.國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司 信息管理中心，新疆 烏魯木齊 830011； 2.國能網(wǎng)信科技(北京)有限公司 咨詢規(guī)劃部，北京 100011； 3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

煤礦智能化是工業(yè)社會(huì)發(fā)展的一個(gè)新階段，是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[1]。近年來，深部、復(fù)雜地質(zhì)條件礦井煤層開采日益增多，煤礦開采強(qiáng)度增大。煤礦進(jìn)入深部開采后，原巖應(yīng)力增大、瓦斯壓力增高，由于圍巖應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)雜性、圍巖的大變形和強(qiáng)流變性、動(dòng)力響應(yīng)的突變性、深部巖體的脆延轉(zhuǎn)化特性等，導(dǎo)致礦壓顯現(xiàn)、沖擊地壓危險(xiǎn)持續(xù)上升，沖擊地壓災(zāi)害已成為嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害之一[2-5]。煤礦沖擊危險(xiǎn)性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警是煤礦沖擊地壓治理體系中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[6-9]，而發(fā)生沖擊地壓的原因很多，只有針對(duì)性地進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，才能取得理想的效果[10]。

目前，沖擊地壓的有效預(yù)警仍是一個(gè)重大技術(shù)難題，也是災(zāi)害防治的迫切需求。為了應(yīng)對(duì)越來越嚴(yán)峻的沖擊地壓災(zāi)害，國內(nèi)外煤礦企業(yè)、科研單位及設(shè)備廠家等經(jīng)過多年的研究、開發(fā)和實(shí)踐，使沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警手段實(shí)現(xiàn)了多樣化。LI Z L等[11]通過時(shí)空預(yù)警方法可以在時(shí)間預(yù)警期間識(shí)別時(shí)間序列和巖爆風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的潛在巖爆風(fēng)險(xiǎn)；HE S Q等[12]提出構(gòu)建綜合預(yù)警模型并結(jié)合多個(gè)預(yù)警指標(biāo)，提高了沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警精度；HE X Q等[13]結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)沖擊地壓發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，提高了災(zāi)害預(yù)警準(zhǔn)確率；XUE Y R等[14]提出了一種基于遺傳算法的多參數(shù)綜合預(yù)警方法，解決了預(yù)警效能較低的問題。目前，國內(nèi)沖擊地壓礦井一般使用監(jiān)測(cè)電磁輻射、微震、地音、采動(dòng)應(yīng)力、支架壓力、錨桿(索)受力等一系列參數(shù)的沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，這些系統(tǒng)及成果多采用單參量監(jiān)測(cè)預(yù)警，各種裝備在監(jiān)測(cè)原理、監(jiān)測(cè)方式與監(jiān)測(cè)側(cè)重點(diǎn)等方面存在差異，使上述多種監(jiān)測(cè)裝備存在預(yù)警結(jié)果不一致的情況，導(dǎo)致儀器裝備使用效率不高，甚至發(fā)生漏報(bào)、誤報(bào)情況。這是許多沖擊地壓礦井監(jiān)測(cè)存在的共性問題，即通過安裝多個(gè)單一監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲得了海量的數(shù)據(jù)，但是監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確率無法滿足現(xiàn)場(chǎng)工程需求，且企業(yè)缺乏相關(guān)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析專業(yè)人員，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以發(fā)揮應(yīng)有的作用[15-17]。

因此，研究沖擊地壓災(zāi)害多系統(tǒng)、多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警信息的有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)已有的和新的技術(shù)手段、裝備的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行綜合集成監(jiān)測(cè)預(yù)警，是沖擊地壓礦井提高自身災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警水平亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題的必由之路[18-21]?；诖?，筆者從國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“國能新疆公司”)沖擊地壓防治與監(jiān)測(cè)預(yù)警現(xiàn)狀出發(fā)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論研究、硬軟件開發(fā)，搭建沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警本地化平臺(tái)，以提高沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警效率及效果。

1 沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警存在的問題

針對(duì)礦井沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警問題，國能新疆公司開展了多年的技術(shù)攻關(guān)，取得了階段性成果，引進(jìn)、安裝了多種監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)備，并已經(jīng)投入使用。但還存在以下問題，需進(jìn)一步深入研究：

1)沖擊地壓監(jiān)測(cè)裝備生產(chǎn)廠家多、數(shù)據(jù)量大、指標(biāo)不統(tǒng)一、迭代更新慢。沖擊地壓監(jiān)測(cè)參量和設(shè)備生產(chǎn)廠家多，致使各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和不同的設(shè)備廠家生產(chǎn)的同類系統(tǒng)及裝備之間難以建立統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)據(jù)接口，積累了海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，但對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征及背后隱含的規(guī)律沒有深入挖掘。各類沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警參量指標(biāo)之間缺乏“同一時(shí)空”關(guān)聯(lián)性，多為單指標(biāo)預(yù)警。隨著采掘更替，不同的礦井甚至同一礦井不同工作面的礦壓顯現(xiàn)都不相同，很難用同一種算法體系或預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行研判，且參與預(yù)警的參量權(quán)重難以確定，這些直接影響到多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警效果。致使預(yù)警結(jié)果無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聯(lián)合分析，監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高。

2)沖擊地壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘分析利用程度低。例如：液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用界定臨界預(yù)警應(yīng)力值的簡(jiǎn)單方法進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，忽略了其增幅、增速等有效指標(biāo)；微震系統(tǒng)多用于簡(jiǎn)單分析震動(dòng)事件的位置和能量大小，缺乏提前預(yù)警處置；監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)多采用采掘時(shí)的監(jiān)測(cè)預(yù)警，對(duì)歷史數(shù)據(jù)的規(guī)律性研究、歸檔等大數(shù)據(jù)分析工作開展較少。

3)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果處理的時(shí)效性有待提高。部分已實(shí)現(xiàn)多參量聯(lián)合監(jiān)測(cè)預(yù)警的現(xiàn)代化礦井，在顯現(xiàn)沖擊地壓預(yù)警時(shí)，仍需人工紙質(zhì)審批與研判，造成預(yù)警處理時(shí)間過長，易導(dǎo)致事故發(fā)生。

4)沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)亟待開展。雖然國能新疆公司在沖擊地壓礦井已安裝了微震、地音、液壓支架、頂板離層監(jiān)測(cè)等多種監(jiān)測(cè)設(shè)備，但監(jiān)測(cè)預(yù)警效果并不理想。比如：電磁輻射監(jiān)測(cè)范圍較小且尚未實(shí)現(xiàn)定位；地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍較?。晃⒄鸨O(jiān)測(cè)一般需要根據(jù)大能量事件發(fā)生前一段時(shí)間內(nèi)較小能量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來確定預(yù)警指標(biāo)，短期預(yù)警較困難等。因此，有必要針對(duì)多種沖擊地壓監(jiān)測(cè)設(shè)備開展沖擊地壓多參量綜合前兆信息的研究，建立綜合集成預(yù)警技術(shù)方法，提高災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確性及可靠性。

2 沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)本地化建設(shè)方案

國能新疆公司沖擊地壓監(jiān)測(cè)平臺(tái)是根據(jù)下屬礦井沖擊地壓防治情況，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能的技術(shù)手段，為服務(wù)公司下屬各個(gè)沖擊地壓礦井而建設(shè)。該平臺(tái)采用集約化建設(shè)，可提供開發(fā)各礦井多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的各類開發(fā)工具，并可根據(jù)各礦井實(shí)際場(chǎng)景和需求開發(fā)出適用的沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)；公司運(yùn)用云邊端架構(gòu)，部署的私有云平臺(tái)可提供數(shù)據(jù)挖掘和預(yù)警模型訓(xùn)練，針對(duì)性地將各礦井的數(shù)據(jù)挖掘和預(yù)警模型訓(xùn)練成果下發(fā)，以實(shí)現(xiàn)集團(tuán)對(duì)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警等數(shù)據(jù)的有效分析，支撐各下級(jí)礦區(qū)生產(chǎn)作業(yè)事前、事中和事后的綜合分析，實(shí)現(xiàn)公司信息智能化升級(jí)，極大地保障生產(chǎn)作業(yè)安全、提升沖擊地壓災(zāi)害的預(yù)防預(yù)警能力。

2.1 預(yù)警平臺(tái)整體架構(gòu)

沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，由數(shù)據(jù)源、IaaS層、PaaS層，以及綜合展示組成平臺(tái)架構(gòu)體系。平臺(tái)具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)本地化架構(gòu)圖

2.1.1 數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)源主要匯聚現(xiàn)場(chǎng)各類礦用設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)等，如應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電磁輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)各類工控參數(shù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地理信息、增量數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等信息反饋，同時(shí)基于礦井現(xiàn)場(chǎng)不同的區(qū)域環(huán)境，并借助物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集上傳和處理，將整個(gè)底層數(shù)據(jù)信息提供給上層業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2.1.2 IaaS層

IaaS層主要借助公司私有云，結(jié)合多種通信技術(shù)，如以太網(wǎng)(局域通信技術(shù))、Modbus、串口通信、NB-ioT等，實(shí)現(xiàn)邊緣層數(shù)據(jù)資源的傳輸匯聚及上層業(yè)務(wù)應(yīng)用基礎(chǔ)運(yùn)行。

2.1.3 PaaS層

PaaS層基于B/S架構(gòu)并通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將一種包含應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)、運(yùn)維平臺(tái)4個(gè)模塊的多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)本地化，建立起自上而下的決策流和自下而上的信息流的閉環(huán)管理。平臺(tái)可滿足各類數(shù)據(jù)治理、開發(fā)訓(xùn)練和運(yùn)維需求。

1)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)可滿足完成融合信息錄入、業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)、事項(xiàng)審批、即時(shí)通信、數(shù)據(jù)洞察等業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜業(yè)務(wù)應(yīng)用要求，支持前后端組件，有效支撐、靈活構(gòu)建個(gè)性化應(yīng)用。應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)由引擎組件、布局組件、視圖組件、圖表組件、常規(guī)組件5個(gè)功能模塊組成。引擎組件基于DevOps及微服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)IT層資源治理及業(yè)務(wù)流程能力提供，并以HTTPS及GRPC標(biāo)準(zhǔn)向上層應(yīng)用統(tǒng)一賦能；布局組件滿足應(yīng)用界面布局要求，支持包括主頁面布局、字表布局、子應(yīng)用布局等組件運(yùn)行；視圖組件支持列表視圖、看板視圖、日歷視圖、占用視圖和級(jí)聯(lián)視圖等組件運(yùn)行；圖表組件支持包括散點(diǎn)圖、曲線圖、條形圖、密度圖、柱狀圖、報(bào)表等組件運(yùn)行；常規(guī)組件支持包括首頁組件、大屏組件等組件運(yùn)行。應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布局、報(bào)表系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)預(yù)警一張圖等提供了便捷和快速靈活的運(yùn)用環(huán)境。

2)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供滿足通過業(yè)內(nèi)主流的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議將礦區(qū)現(xiàn)有及未來可能接入的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)納入平臺(tái)的要求，并提供設(shè)備管控、邊緣計(jì)算及資源調(diào)度能力等功能，為上層應(yīng)用有效使用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)提供保障。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)由設(shè)備接入、數(shù)據(jù)解析2個(gè)功能模塊組成。設(shè)備接入提供支持Modbus、OPC等多協(xié)議，滿足海量異構(gòu)設(shè)備的泛化接入等功能；數(shù)據(jù)解析提供支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)離線、在線數(shù)據(jù)高壓縮比在線計(jì)算等數(shù)據(jù)解析功能，在保證效率的同時(shí)有效節(jié)省資源。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可利用數(shù)據(jù)挖掘?yàn)楸O(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)提供智能分析方法，及時(shí)對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)警。

3)大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供使目前現(xiàn)有的、即將建設(shè)的和未來的系統(tǒng)在業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)、技術(shù)和管理各層面實(shí)現(xiàn)高度的集成性和統(tǒng)一性的大數(shù)據(jù)運(yùn)行環(huán)境支撐。提供全局統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入工具運(yùn)行環(huán)境，滿足全面支持內(nèi)外部、線上下多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接入，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多向同步、實(shí)時(shí)互通，滿足消除數(shù)據(jù)孤島等部署功能運(yùn)行需要。大數(shù)據(jù)平臺(tái)由數(shù)據(jù)資源池、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)服務(wù)3個(gè)功能模塊組成。數(shù)據(jù)資源池匯集各底層系統(tǒng)的所有過程信息，靈活應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)，滿足系統(tǒng)各模塊功能實(shí)現(xiàn)需求的數(shù)據(jù)資源池的運(yùn)行；數(shù)據(jù)治理提供從各級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中提取出有用的數(shù)據(jù)并進(jìn)行清理，以保證數(shù)據(jù)正確性的數(shù)據(jù)治理工具運(yùn)行；數(shù)據(jù)服務(wù)提供運(yùn)用大數(shù)據(jù)核心業(yè)務(wù)應(yīng)用分析技術(shù)，提升現(xiàn)有平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、分析和管控能力的數(shù)據(jù)服務(wù)功能。大數(shù)據(jù)平臺(tái)整合煤礦沖擊地壓全方位信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析成果共享，為業(yè)務(wù)決策提供有效支撐，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)管控、資源調(diào)度，保障煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)。

4)運(yùn)維平臺(tái)提供IT訪問安全、后臺(tái)作業(yè)跟蹤、配置管理數(shù)據(jù)庫及IT服務(wù)管理能力。運(yùn)維平臺(tái)由組織運(yùn)維、權(quán)限運(yùn)維、安全審計(jì)、平臺(tái)運(yùn)維4個(gè)功能模塊組成。組織運(yùn)維提供全面、強(qiáng)大的從集團(tuán)到分公司再到下屬企業(yè)的多層級(jí)組織機(jī)構(gòu)建模、業(yè)務(wù)分工、業(yè)務(wù)協(xié)作管理等功能；權(quán)限運(yùn)維提供靈活的分級(jí)授權(quán)機(jī)制，通過權(quán)限的層次控制保證用戶和數(shù)據(jù)安全的權(quán)限運(yùn)維；安全審計(jì)對(duì)系統(tǒng)管理員及安全管理員的日常配置和審核工作進(jìn)行檢查的安全審計(jì)功能運(yùn)行環(huán)境部署；平臺(tái)運(yùn)維支持記錄數(shù)據(jù)監(jiān)控、流程監(jiān)控、組織架構(gòu)、規(guī)則引擎、數(shù)據(jù)引擎等操作，確保系統(tǒng)能夠可靠、高效、穩(wěn)定運(yùn)行的平臺(tái)運(yùn)維功能運(yùn)行環(huán)境的部署。運(yùn)維平臺(tái)將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用系統(tǒng)納入管理控制，進(jìn)行統(tǒng)一整合，預(yù)警等信息可幫助運(yùn)維人員迅速發(fā)現(xiàn)并處理解決問題。

2.1.4 綜合展示

綜合展示基于沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)的應(yīng)用需求，結(jié)合數(shù)字媒體技術(shù)，為礦區(qū)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)提供多維服務(wù)，提升相關(guān)業(yè)務(wù)管理人員管理效能。

2.2 預(yù)警平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

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圖2 沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過管理網(wǎng)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)主機(jī)，物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)與公司數(shù)據(jù)中心服務(wù)器互聯(lián)。礦區(qū)物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)采集的礦端微震、液壓支架、地音、電磁輻射等數(shù)據(jù)，通過服務(wù)器發(fā)送至國能新疆公司沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理分析、信息發(fā)布等操作。平臺(tái)提供統(tǒng)一的技術(shù)支持、運(yùn)維、升級(jí)、迭代等服務(wù)。通過集團(tuán)本地云資源，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)的本地化及下屬礦井監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能部署，用戶通過權(quán)限網(wǎng)頁訪問的形式使用各自沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

2.3 礦井監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能架構(gòu)

通過國能新疆公司本地化部署平臺(tái)對(duì)接下屬礦井，根據(jù)需求，對(duì)所屬礦井各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集，接入沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)，完成下屬礦井沖擊地壓集成監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能本地化部署工作，確保平臺(tái)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

礦井監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能由沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警一張圖、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、綜合預(yù)警、報(bào)表系統(tǒng)和設(shè)備管理等模塊構(gòu)成，具備沖擊危險(xiǎn)空間分區(qū)、危險(xiǎn)分級(jí)、自主判識(shí)、實(shí)時(shí)預(yù)警、語音報(bào)警、智能可視化、遠(yuǎn)程服務(wù)等功能，可有效辨識(shí)生產(chǎn)過程沖擊危險(xiǎn)信息，提高沖擊風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力。實(shí)現(xiàn)沖擊地壓多元、海量、動(dòng)態(tài)信息遠(yuǎn)程在線傳輸、云存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)治理與挖掘和集成預(yù)警，建立煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，形成“防沖部門—礦井—公司”三級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。礦端監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 礦井沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能架構(gòu)

3 礦井沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)功能本地部署

3.1 系統(tǒng)基本部署功能模塊

烏東煤礦是國能新疆公司第一個(gè)部署沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的礦井，基于公司工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，開發(fā)了沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。根據(jù)軟件登陸信息授予用戶相應(yīng)使用權(quán)限，用戶根據(jù)不同權(quán)限，通過簡(jiǎn)潔實(shí)用的軟件登陸界面，并根據(jù)不同的權(quán)限瀏覽對(duì)應(yīng)的信息。且數(shù)據(jù)文件Web化，研究人員通過網(wǎng)頁瀏覽器即可登陸進(jìn)入信息顯示界面，并通過不同檢索條件獲得所登陸礦井的分析結(jié)果。

3.2 系統(tǒng)主要功能

沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的主要用戶包括煤礦企業(yè)沖擊地壓監(jiān)管科室、綜合調(diào)度指揮中心、運(yùn)維服務(wù)機(jī)構(gòu)。不同用戶輸入相應(yīng)賬號(hào)和密碼即可登錄預(yù)警系統(tǒng)，獲取所需的應(yīng)用服務(wù)。預(yù)警系統(tǒng)功能模塊主要包括監(jiān)測(cè)預(yù)警一張圖、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、綜合預(yù)警、設(shè)備管理、語音報(bào)警、報(bào)表系統(tǒng)等。

1)監(jiān)測(cè)預(yù)警一張圖?；诖髷?shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)支架壓力、微震實(shí)時(shí)能量、微震日能量與頻次、地音累計(jì)能量與頻次、多參量綜合預(yù)警信息、微震一張表等動(dòng)態(tài)信息的在線傳輸、存儲(chǔ)、展示，可多維度宏觀展現(xiàn)礦井沖擊危險(xiǎn)總體態(tài)勢(shì)。監(jiān)控人員可通過該圖了解各區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行、危險(xiǎn)預(yù)警、數(shù)據(jù)差異等情況。實(shí)現(xiàn)對(duì)全礦井各區(qū)各工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的“全天候” “全方位” “全向量”的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)感知，以及沖擊危險(xiǎn)的智能預(yù)警和語音報(bào)警。通過一張圖，工作人員對(duì)發(fā)現(xiàn)的異常指標(biāo)，可直接操作至相應(yīng)子系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及預(yù)警詳情進(jìn)行分析，輔助技術(shù)人員進(jìn)行科學(xué)決策。

2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)烏東煤礦微震、地音、液壓支架等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)將多個(gè)系統(tǒng)集中在一個(gè)屏幕上切換顯示。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煤巖層應(yīng)力、微震實(shí)時(shí)波動(dòng)、微震日累計(jì)波動(dòng)、地音實(shí)時(shí)能量和脈沖等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)采集，支持能量、進(jìn)度、工作面、脈沖等信息錄入。且相關(guān)數(shù)據(jù)或信息可通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊動(dòng)態(tài)展示，如應(yīng)力測(cè)點(diǎn)按應(yīng)力大小用不同顏色顯示，微震事件按能量大小用不同顏色、不同大小的柱狀圖顯示，地音監(jiān)測(cè)按脈沖能量用不同顏色顯示，微震空間參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面用不同顏色代表危險(xiǎn)發(fā)生狀況。工作人員可同時(shí)查看不同的工作面、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)情況，從而提高了數(shù)據(jù)分析效率，一定程度上保障了礦井安全生產(chǎn)。

4)報(bào)表系統(tǒng)。報(bào)表系統(tǒng)模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化一鍵生成報(bào)表，滿足工作人員整理數(shù)據(jù)、分析各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的需求，協(xié)助制定科學(xué)防治決策，供公司檢查和存檔。綜合分析日?qǐng)?bào)表，每日可根據(jù)開采過程中各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)狀態(tài)并記錄所采取的防治措施，以便工作人員進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理；通過對(duì)采掘工作面名稱、日推進(jìn)工作面位置、剩余可采長度、當(dāng)日班次信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)手動(dòng)填寫電磁輻射、鉆屑量、礦壓解危措施、進(jìn)放煤時(shí)間統(tǒng)計(jì)、工作面信息，生成報(bào)表。系統(tǒng)的報(bào)表模塊基于烏東煤礦實(shí)際情況，定制開發(fā)了一鍵生成報(bào)表功能，使原需2.5 h才能完成的報(bào)表，在15 min內(nèi)即可一鍵自動(dòng)生成，節(jié)省90%的工作時(shí)間，極大提高了人員工作效能。

5)設(shè)備管理。設(shè)備管理模塊主要功能是管理設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)地音、液壓、微震等系統(tǒng)設(shè)備和工作面各監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行排查，及時(shí)顯示處于故障狀態(tài)的設(shè)備，便于工作人員了解設(shè)備運(yùn)行情況，并及時(shí)維修更換，避免監(jiān)測(cè)不全面而發(fā)生事故。系統(tǒng)的設(shè)備管理模塊可實(shí)時(shí)查看各系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，防沖辦技術(shù)員也可根據(jù)烏東煤礦實(shí)際采掘情況增加、刪除工作面，平臺(tái)自動(dòng)調(diào)整各模塊對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，滿足平臺(tái)本地化便捷運(yùn)維要求。

6)語音報(bào)警。語音報(bào)警模塊主要播報(bào)預(yù)警程度、危險(xiǎn)等級(jí)，以及建議采取的措施，并根據(jù)危險(xiǎn)程度等級(jí)的變化界面展現(xiàn)出不同的狀態(tài)。當(dāng)危險(xiǎn)程度<0.25，此時(shí)無危險(xiǎn)，不進(jìn)行預(yù)警；當(dāng)0.25≤危險(xiǎn)程度<0.50，此時(shí)為弱危險(xiǎn)；當(dāng)0.50≤危險(xiǎn)程度<0.75，此時(shí)為中等危險(xiǎn)；當(dāng)危險(xiǎn)程度≥0.75，此時(shí)為強(qiáng)危險(xiǎn)。工作人員可根據(jù)相應(yīng)情況，點(diǎn)擊確認(rèn)鍵結(jié)束預(yù)警信息播報(bào)，實(shí)現(xiàn)管理人員對(duì)預(yù)警信息的主動(dòng)獲取。

4 多參量集成預(yù)警模型開發(fā)及其在平臺(tái)的應(yīng)用效果

4.1 礦井沖擊地壓前兆預(yù)警指標(biāo)挖掘

烏東煤礦自安裝了ARAMIS M/E 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和 KJ623 地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以來，積累了海量的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)這些監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘以提取可靠的沖擊地壓前兆預(yù)警指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊準(zhǔn)確預(yù)警的關(guān)鍵。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)、專家知識(shí)等方法，針對(duì)井下各個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特性及其對(duì)沖擊事件的響應(yīng)特征，建立了沖擊地壓前兆預(yù)警指標(biāo)體系，包含頻次偏差值DF、頻次比Fr、離散度Ds、能量偏差值DE、能量偏差高值總數(shù)DH等，具體計(jì)算公式如表1所示。

表1 沖擊前兆預(yù)警指標(biāo)計(jì)算公式

應(yīng)用烏東煤礦某沖擊地壓案例發(fā)生前后一個(gè)半月內(nèi)的微震、地音監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制如圖4所示的前兆特征參量時(shí)序變化曲線。該時(shí)間段內(nèi)共有5個(gè)能量大于105J的微震事件，按照時(shí)間先后編號(hào)為①～⑤(①2016-12-23T05:50:37，1.10×107J；②2017-01-05T14:45:25，1.50×106J；③2017-01-08T14:23:01，1.60×105J；④2017-01-10T20:07:07，7.10×105J；⑤2017-02-01T21:51:21，2.10×108J)。

由圖4可以看出，在沖擊地壓或大能量事件發(fā)生前,各預(yù)警指標(biāo)都出現(xiàn)了明顯的響應(yīng)特征，在事件發(fā)生前兩天內(nèi)出現(xiàn)明顯波動(dòng)并且超過了對(duì)應(yīng)的臨界值，可對(duì)沖擊地壓的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)預(yù)警提供較好的決策輔助。

4.2 沖擊地壓多參量集成預(yù)警模型

利用機(jī)器學(xué)習(xí)中的遺傳算法，作為最優(yōu)預(yù)警臨界值指標(biāo)的尋優(yōu)方法，并結(jié)合R值評(píng)分法作為評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)警效能的適應(yīng)度函數(shù)，構(gòu)建如圖5所示的沖擊地壓多參量集成預(yù)警模型。

圖5 沖擊危險(xiǎn)多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警流程圖

該方法首先將各系統(tǒng)沖擊前兆特征參量?jī)蓛山M合后輸入遺傳算法中進(jìn)行訓(xùn)練得到最優(yōu)臨界值V1、V2和適應(yīng)度R，再比較不同特征參量組合的適應(yīng)度值，取最大的1～2組作為該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前兆特征參量，并將該特征參量與其對(duì)應(yīng)的臨界值相比較，若超過臨界值則預(yù)警程度加1(初始值為0)。利用MATLAB R2014a 編制相應(yīng)代碼，在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境中進(jìn)行模擬訓(xùn)練，其中利用遺傳算法訓(xùn)練最優(yōu)臨界值的計(jì)算過程如圖6所示。

(a)運(yùn)算過程中最佳適應(yīng)度值和平均適應(yīng)度值變化情況

之后，根據(jù)式(1)計(jì)算多系統(tǒng)融合沖擊危險(xiǎn)性預(yù)警指數(shù)ICi：

(1)

式中：WCi為某監(jiān)測(cè)系統(tǒng)第i時(shí)刻的綜合預(yù)警指數(shù)；RCi為利用R值評(píng)分法基于綜合預(yù)警指數(shù)WCi計(jì)算出的該系統(tǒng)預(yù)警效能。

WCi的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Wi表示單系統(tǒng)不同特征參量組合或單系統(tǒng)不同傳感器的預(yù)警程度；Rj表示單系統(tǒng)不同特征參量組合或單系統(tǒng)不同傳感器的預(yù)警效能。

R值評(píng)分法的計(jì)算公式如下：

(3)

4.3 多參量集成預(yù)警模型應(yīng)用效果

2017-03-07—2017-12-28，烏東煤礦共發(fā)生10次能量大于105J 的微震事件，包含 “4·26” 沖擊地壓事件。為了避免產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，認(rèn)為發(fā)生時(shí)間和地理坐標(biāo)極接近且能量大于105J 的微震事件屬于同一次大能量事件，如發(fā)生在9月21日的4次連續(xù)微震事件為同一次事件，故最終認(rèn)為此時(shí)間段共發(fā)生了6次事件，依時(shí)序按 ①～⑥編號(hào)。利用R值評(píng)分法計(jì)算此時(shí)間段不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警效能，判斷預(yù)警成敗的依據(jù)是：綜合預(yù)警指數(shù)WCi在事件發(fā)生前三天內(nèi)超過0.5則預(yù)報(bào)成功；反之，則失敗。結(jié)果如表 2所示。

表2 不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)警效能

計(jì)算多系統(tǒng)集成沖擊危險(xiǎn)性預(yù)警指數(shù)IC，結(jié)果如圖7所示(①2017-03-21T19:10:00，3.9×107J；2017-03-21T20:03:00，6.0×105J；②2017-04-14T22:55:00，2.8×105J；③2017-04-26T20:06:00，2.20×106J；④2017-09-21T04:41:00，3.9×106J；2017-09-21T04:42:00，2.5×106J；2017-09-21T04:43:00，4.4×106J；2017-09-21T04:44:00，9.5×106J；⑤2017-11-05T06:39:00，1.3×105J；⑥2017-12-04T18:41:00，2.7×105J)。

圖7 多系統(tǒng)集成沖擊危險(xiǎn)性綜合預(yù)警指數(shù)IC

如圖7中紅色方框內(nèi)所示，在事件發(fā)生的前3天，沖擊危險(xiǎn)綜合預(yù)警指數(shù)IC都達(dá)到了 0.5 以上，達(dá)到中等或強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)，表示該指數(shù)的變化與事件的發(fā)生有明顯的相關(guān)性，可以為事件提供有效的預(yù)警。并且該指數(shù)綜合多系統(tǒng)的時(shí)—空—強(qiáng)多維特征參量，為沖擊危險(xiǎn)提供前兆信息，根據(jù)R值評(píng)分法，運(yùn)用式(3)計(jì)算其預(yù)警效能R=0.896。

可以看出R明顯高于微震單系統(tǒng)的預(yù)警效能0.763和地音單系統(tǒng)的預(yù)警效能0.621，這是由于在對(duì)多系統(tǒng)預(yù)警結(jié)果進(jìn)行綜合集成時(shí)，不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間相互提供預(yù)警判據(jù)且多維特征參量預(yù)警結(jié)果相互驗(yàn)證，排除了單系統(tǒng)偶然因素的影響，從而提高了預(yù)警準(zhǔn)確率，最終使其預(yù)警效能高于單個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

沖擊危險(xiǎn)性綜合預(yù)警指數(shù)IC能有效地評(píng)價(jià)沖擊地壓實(shí)際危險(xiǎn)程度，并且綜合了多系統(tǒng)多參量監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，便于閱讀且能實(shí)時(shí)定量地為礦山提供預(yù)警信息，使礦山能夠更高效、準(zhǔn)確地對(duì)沖擊地壓災(zāi)害進(jìn)行防范治理，從而避免重大人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，對(duì)安全生產(chǎn)有重大意義。

5 結(jié)論

1)沖擊地壓多參量集成監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)本地化部署后，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)主機(jī)采集后經(jīng)集團(tuán)公司內(nèi)部專網(wǎng)直接傳輸至本地?cái)?shù)據(jù)庫保存，數(shù)據(jù)上傳速度和完整性有較大提高。

2)平臺(tái)本地化部署后，運(yùn)行環(huán)境僅受現(xiàn)場(chǎng)及集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)影響，運(yùn)行過程在一個(gè)相對(duì)封閉的環(huán)境中進(jìn)行，受外網(wǎng)影響及攻擊隱患減小，運(yùn)行過程穩(wěn)定，平臺(tái)運(yùn)作效率更高。且IT設(shè)備無論是使用云平臺(tái)或物理機(jī)，均使用集團(tuán)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，由集團(tuán)統(tǒng)一對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全進(jìn)行管控，安全性大大提高的同時(shí)，減少了設(shè)備的投入。

3)建立了適用于下屬烏東煤礦的監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)體系并融合至平臺(tái)系統(tǒng)，包括頻次偏差值DF、頻次比Fr、離散度Ds、能量偏差值DE、能量偏差高值總數(shù)DH等。各預(yù)警指標(biāo)對(duì)沖擊地壓具有一定響應(yīng)，以此為基礎(chǔ)并結(jié)合遺傳算法和R值評(píng)分法構(gòu)建了烏東煤礦多系統(tǒng)多參量集成預(yù)警模型，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用顯示可大幅度提高沖擊地壓災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確性。